斯特林发动机及其发展趋势探讨

赵晨皓

（西交利物浦大学，江苏 苏州 215123）

斯特林发动机及其发展趋势探讨

赵晨皓

（西交利物浦大学，江苏 苏州 215123）

分析了现有的内燃机汽车对环境的危害情况，指出斯特林发动机的外燃方式的良好的环保特性。简介了太阳能光热形式的斯特林发动机的历史，重点分析了两种典型的斯特林发动机的构造，简要分析了动态式和自由活塞式斯特林发动机的各自特点。针对斯特林发动机的特性，明确指出了其发展的潜在价值及其重要性，并对其发展趋势进行了探讨。

汽车；环境污染；光热发电系统；斯特林发动机

CLC NO.：U464.9Document Code：AArticle ID:1671-7988(2014)12-68-05

引言

从煤炭文明到石油文明，再到天然气文明，在人们开始讨论有关21世纪文明的宏伟构想时，能源成为了首要问题。随着石油资源的日益短缺，石油价格逐渐上涨，目前的汽车使用传统的内燃机使用石油资源而引起了尾气CH、CO、NOX排放产生严重的环境污染，也造成了石油能源过度的使用，产生了能源极不平衡等社会问题日见突出[1]。研究能以太阳能、沼气、生物质等作为燃料的发动机有关技术，对于促进能源的综合利用、改善当前使用单一的石油资源的状况并减少环境污染，创造节约型社会，从而促进经济的可持续发展和社会进步，具有重要的意义。

早在19世纪初期，英国物理学家罗伯特· 斯特林（Robert Stirling）发明了“斯特林发动机”（Stirling engine）[2]。这种利用气体热胀冷缩原理的发动机，似乎为人类提供了生存的机遇。在太阳能热发电系统中，采用斯特林外燃机作为动力机——发电机组，构成的斯特林太阳能热发电系统，在我国具有非常好的商业化前景[3]。

斯特林光热发电系统的基本原理可以概括为以下过程。首先，入射太阳光经过聚光器汇聚起来，然后又吸热气转化成热能被斯特林发动机内部的工质气体所吸收。接下来，斯特林发动机经过动力循环把热能转化为机械能，带动发电机运行，随将机械能转换为电能。利用整流装置，可将其电能输出为直流电，最终由逆变装置转换为交流用电[4]。斯特林光热发电系统主要由聚光器、吸热器、斯特林发动机构成[4]。

当发光强度一定时，光源面积越大，所提供的光能量越多。聚光器的作用是将较大面积的太阳能聚集到较小面积上。由于聚光方式的不同，斯特林光热发电机可以分为槽式、塔式和碟式。碟式斯特林光热发电系统的光聚焦比最大，其热腔端的温度可以到达750oC-1382oC。相同光照强度以及时间的情况下，比热容越小的物体温度变化越大。吸热器则是利用材料比热容的特性，在相同光照强度以及时间下，获取更

多的热量。

本文将对斯特林太阳能热发电系统的结构、原理及特点作简要介绍。重点分析了两种典型的斯特林发动机的构造，简要分析了动态式和自由活塞式斯特林发动机的各自特点。针对斯特林发动机的特性，明确指出了其发展的潜在价值及其重要性，并对其发展趋势进行了探讨。

1、斯特林发动机的发展历程及原理

1.1发展历程

如图1为碟式斯特林光热发电系统的示意图。

上述能量转换过程可用如图2更直观的表达。

斯特林发动机于1816由英国物理学家罗伯特· 斯特林发明。最初的斯特林发动机是以空气为工质，功率小、体积大、热效率低，应用面较为有限[2]。

20世纪40至60年代，荷兰的飞利浦公司利用高温高压氢气或氦气，研制出了更高功率和效率的斯特林发动机，因此在某些领域有了应用。

20世纪70年代，石油危机的出现使得欧美国家开始重点研究该领域。美国通用以及瑞典Kockums公司等继续研发斯特新发动机。

20世纪90年代，美国斯特林能源系统公司（Stirling Energy System (SES)）和瑞典的SOLO公司着手开展了太阳能发电系统的研发工作，并相继发明了碟式斯特林太阳能发电系统[5]。

刚刚过去的20多年里，全球工程界在斯特林发动机的开发与应用上已经取得了长足的进步。这种采用太阳能为能源的发电系统，在未来将发挥越来越重要的作用。

1.2 基本工作原理

斯特林发动机主要是由配气活塞、动力活塞、热腔（膨胀腔）、冷腔（压缩腔）以及链接两个气室的机械轴构成，如图3。

斯特林发动机是一种外燃机，其是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。外界的热量使热腔的气体工质膨胀，蒸发的氢气（或氦气）作为气体工质使活塞运动，紧接着，工质在低温冷腔中压缩，继续使活塞运动。膨胀气体在冷腔冷却收缩，收缩的气体在热腔受热膨胀，反复地进行这样的循环过程，图4所示[2]。每次循环过程中工质将吸收的热能通过斯特林发动机转化成机械能。推动斯特林发动机的最佳外热源，毫无疑问是太阳能。

斯特林发动机理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。在循环的过程中，膨胀腔的温度一直处于最高温度Th，与此同时，压缩腔的温度一直处于最低温度Tl，从而产生了巨大的温差。根据热力学定理，可以得到理想状态下卡诺循环的效率为：

由此可以看出，卡诺循环的效率只与两个热源的热力学温度有关，如果高温热源的温度Th愈高，低温热源的温度Tl愈低，则卡诺循环的效率愈高。因此，高低温热源的温差较大时，热机的效率亦较高。斯特林发动机的热电转换效率可达40%。斯特林电动机的高效率和外燃机特性使其成为碟式斯特林光热发电系统的首选热机[7]。

2、斯特林发动机特点

相比于内燃机斯特林发动机具有以下特点：低污染、低运行成本、属于低速扭矩，扭矩变动特性较好。由于斯特林

的循环方式是封闭式循环，可采用传热性能良好的气体工质，相比传统的化石燃料，气体工质如氢气、氦气具有零腐蚀的优点。与此同时，氢气、氦气这类气体相比空气密度小，从而减小了发动机的体积和重量。斯特林发动机十分符合良好环境的建设。循环过程几乎没有任何废气的产生，排气洁净。相对传统的内燃机，以太阳能作为斯特林发动机的动力，其运作原理十分简单。太阳能斯特林发动机绝对不需要传统内燃机的进气和排气阀门。因此，尽管斯特林发动机机械效率很高，却很简单。此外，相对于内燃机，斯特林发动机因为没有气体爆炸，所以大大降低了噪音污染。最重要的是，由于其高热能集聚能力，相较太阳能光伏发电板，它更适合大型电力事业。

3、斯特林发动机分类及其结构

3.1 斯特林发动机分类

斯特林发动机可分为两类：动态式斯特林发动机、自由活塞式斯特林发动机。

动态式斯特林发动机的配气活塞、动力活塞和机械输出轴间是通过物理连接构成的发动机。自由式活塞式发动机的配气活塞和动力活塞在同一气缸内沿同一轴做自由往复运动，引起工质经历斯特林循环过程[8]。

动态式发动机的机械结构与内燃机相似，其相位角是由发动机传动系统的机械装置实现的，发动机产生的扭矩驱动传统的异步发电机，从而产生电能。动态式发动机一般采用滑动密封。运行时，活塞与气缸、活塞杆和活塞座之间会产生一定程度的侧推力，产生一定的摩擦力。随着密封器件磨损程度的增加，气体泄漏率随之增大，这对发动机的性能会产生不良影响，严重时甚至会发生循环气体的漏失，使电动机不能运行。

与动态式发动机相比，自由活塞式发动机结构相对简单，只有配气活塞和动力活塞两个运动部件，并且两个活塞彼此独立，在同一气缸内往复运动，发动机产生的动量驱动直流发电机，从而产生电能。活塞冲程、频率和两活塞间的相位角由活塞和弹簧系统随循环压力变化的动态性来实现[9]。运行时，活塞与气缸间无侧推力，发动机非接触气体密封和弹簧几乎消除了活塞与气缸间的摩擦，从根本上避免了动态式斯特林发动机的磨损问题。

3.2 斯特林发动机的典型结构

Ⅰ. Kockums公司的斯特林发动机

图6所示为Kockums公司研发的4-95型双作用四缸斯特林发动机。其由气缸组件、冷却器、回热器和加热头构成。气缸组件又由气缸、活塞、活塞杆密封组件和连杆组成，气缸总容积为380cm3。此种发动机有四个相同的循环系统，每个系统的工质在气缸热腔、加热头、回冷器、冷却器和冷腔之间往复循环。该四缸斯特林发动机四个气缸的热腔与冷腔首尾相连，即前一级的热腔为后一级的冷腔，且两个活塞之间相位角相差90o【5】。发动机转速1800rpm， 驱动异步发电机产生480V，频率60Hz的交流电。

90年代，SES公司整合麦道公司的太阳能聚光技术以及Kockums公司的4-95型斯特林发动机，制作出了碟式斯特林光热发电系统，并进行了大量测试，图7所示为该4-95型斯特林发动机功率性能图。由图7看出，随着太阳辐照度的递增，系统总发电功率也随之递增。此外，系统总功率还与聚光镜发射率有关，且反射率越大，发电总功率越大。

Ⅱ. Cleanergy公司的斯特林发动机

Cleanergy公司生产的V-161型斯特林发电机，发电功率为10kW，发动机结构呈90o“V”型，长1.28m，宽0.7m，高0.98m，气缸容积达到160cm3。压缩活塞和膨胀活塞分别位于冷热气缸中，热腔、加热头、回冷器、冷却器和冷腔一次连接，组成完整的循环回路，如图7。循环过程中，两个活塞具有传递功率的功能，热腔活塞传递膨胀功，冷腔活塞传递压缩功，曲轴连杆机制带动一步交流发电机发电[10]。

2003年，美国山帝亚国家实验室对5台V-161型斯特林发电机进行了测试[11]。图8为其输出功率和发电效率性能图。在一定范围内（450-500 W/m2），随着光照幅度的递增，系统输出功率和效率分别骤增。

Ⅲ. Sunpower公司的斯特林发动机

前面介绍的两种斯特林发动机都属于动态式斯特林发动机，下面这两种都属于自由活塞式斯特林发动机。

1974年，自由活塞式斯特林发动机创始人Beale成立了Sunpower公司。40年来，该公司一直致力于自由活塞式斯特林发动机研究与应用。其发动机的主要特点是配气活塞杆穿过活塞，使用气体弹簧支持配气活塞和动力活塞进行往复运动，利用板式弹簧对配气活塞支撑定位，如图9所示。

Ⅳ. Infinia公司的斯特林发动机

Infinia公司研发的斯特林发动机的配气活塞和动力活塞在同一气缸，通过配气活塞的往复运动，与动力活塞形成共振而做功，如图10所示。系统采用板式弹簧支持活塞进行往复运动，结构紧凑。两活塞在气缸冷热端各有一个非接触气体密封，密封严密。图11展示了该种发动机净功率与系统效率性能。随着光照辐射度的增大，净功率和系统的效率也随之增高。而当太阳辐照度超过800W/m2时，系统效率开始降低。

为了克服单缸自由活塞斯特林发动机单位体积输出功率低的特点，Infinia公司提出了双作用六缸的自由活塞式发动机的概念。此种发动机保留了自由活塞式机型的特点，并借鉴了动态式发动机的优点，将配气活塞与动力活塞合二为一，气缸也从以前的单杠变成了六缸，如图12所示。

4、斯特林发动机在汽车中的应用

随着化石能源的日趋减少，内燃机注定会退出汽车工业的历史舞台。因此，混合动力汽车必定成为这个过渡阶段的产物。内燃机的热效率一般在40%左右，而剩余的大部分以热的形式损失。如果能够将这些损失的热能进行回收和利用，那么对于提高混合动力汽车的效率将不再困难。结合斯特林发动机的工作原理，可以将损失的热能提供给斯特林发动机，并让其工作，从而输出机械能作为汽车的动力。或是将斯特林发动机转化产生的电能储存于蓄电池组中，配合内燃机一起工作。这样一来，可以实现小排量的内燃机满足大排量汽车的动力要求，以达到节油的目的[16]。

5、斯特林发动机的发展趋势

斯特林发动机已走过近两个世纪的发展历程，随着全球

能源问题和环境问题的日益出现，以及市场对清洁能源的迫切需求，斯特林发动机必然会越来越受到广泛的关注。

与此同时，随着汽车需求量的增多，对于汽车新能源的探索一直在进行中，节能环保的新能源已经成为汽车发展道路上的最终目的[16]。

碟式斯特林光热发电系统的核心部件是斯特林发动机。斯特林发动机相比内燃机来说，具有结构简单的特点，但其中的关键部件的研发难度较大，至今却仍未大规模出现在社会生产和生活中,仍需要大量的工作与努力。

总体而言，碟式斯特林光热发电系统具有高效率、低耗能以及发电方式灵活等特点。相对传统的内燃机，以太阳能作为斯特林发动机的动力，其运作原理十分简单。没有阀门，不需要气化和点火装置。从生态角度来看，斯特林发动机具有环保无污染的特点。发动机本身从外部获取热能，不需要传统的进气和排气阀门。在不远的未来，必将受到越来越多的国家的重视。随着该系统的研发、示范和推广工作的不断进行，斯特林光热发电系统将在世界能源结构中占有一席之地，为最终实现可再生能源做出应有的贡献。

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[16] 张宝利，苏军英，刘星洋。斯特林发动机在混合动力车上的应用，河南。科技风，2013（21)：70-71。

Stirling engine and the discussion of its future trend

Zhao Chenhao
(Xi’an Jiaotong-Liverpool University, Jiangsu Suzhou 215123)

This paper analyses the damage of current internal combustion engine for environment and point out environmental advantages of Stirling engine, which is a type of external combustion engine. This article also briefly describes the history of Stirling engine and focuses on two types of constructions, dynamic and free piston. Furthermore, this paper points out potential values and importance of Stirling engine, and make discussion for its future trend.

vehicle; environmental pollution; solar-thermal power generation system; stirling engine.

U464.9

A

1671-7988(2014)12-68-05

赵晨皓，就读于西交利物浦大学。